Автоматизация технологического комплекса измельчения

Так как выбранный закон обеспечивает требуемое время регулирования, следовательно, окончательно принимаем предварительно выбранный закон регулирования - это ПИ-закон.

Далее вычислим значения настроечных параметров регуляторов для статических объектов. Так как у нас тип переходного процесса - 20%-ное перерегулирование и закон регулирования - ПИ, формулы для вычисления значений параметров будут иметь следующий вид:

;

Тогда передаточная функция регулятора будет иметь следующий вид:

Далее для расчета настроек корректирующего регулятора подаем ступенчатое воздействие на «у1 зад» и снимаем разгонную характеристику сложного объекта по каналу при отсутствии корректирующего регулятора. Получаем переходную характеристику второго контура без регулятора и аппроксимируем ее.

Аппроксимацию переходной характеристики объекта осуществляют следующим образом: в точке наибольшего наклона (наибольшей крутизны) переходной характеристики проводят касательную (рисунок 35) и полагают, что передаточная функция объекта может быть записана следующим образом:

,

Где , То, - соответственно, передаточный коэффициент, постоянная времени и запаздывания объекта.

Рисунок 35 - Аппроксимация переходной характеристики объекта

Аппроксимируя динамическую характеристику, получаем следующий результат: Ко=0.22, То=400с, фо=60с, фо/Tо=0.15.

По сформулированным требованиям к качеству переходного процесса (таблица 4) выбираем процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения.

По монограммам предварительно выбираем закон регулирования.

Рисунок 36 - Графики динамического коэффициента регулирования при процессе с min?y2(t)dt: 1- П-регулятор; 2- И-регулятор; 3- ПИ-регулятор; 4- ПИД- регулятор

В соответствии с Rд и определенным ранее соотношением фо/Tо предварительно выбираем П - закон регулирования. Проверим, удовлетворяет ли принятый предварительно закон регулирования времени регулирования по монограммам (желаемое время регулирования ?4T0, что составляет 1600секунд).

Рисунок 34 - Графики времени регулирования при процессе с min?y2(t)dt: 1- П-регулятор; 2- И-регулятор; 3- ПИ-регулятор; 4- ПИД- регулятор

Для статических объектов (переходный процесс с минимальной квадратичной площадью отклонения, П - закон регулирования) отношение tР/ф0 равно 26.7, следовательно окончательно принимаем П закон регулирования. Для П - регулятора настроечным параметром является КР - коэффициент передачи регулятора.

По расчетным формулам для статических объектов и типовых переходных процессов находим:

Тогда передаточная функция регулятора будет иметь следующий вид:

[1]

Для выбора контроллера составим таблицу количества аналоговых и дискретных входов/выходов САР или САК комплекса измельчения:

Таблица 5 - Количество входных/выходных сигналов САР или САК комплекса измельчения

Таким образом, согласно данных таблицы 5 количество аналоговых входов равно 14, количество аналоговых выходов - 6, количество дискретных входов - 12, количество дискретных выходов - 0.

В качестве программируемого логического контроллера, удовлетворяющего требованиям объема рабочей памяти и количество входов/выходов, а также реализующего выбранные законы регулирования, я выбрал контроллер SIMATIC S7-300С в комплекте с модулем автоматического регулирования FM455.

S7-300С находит применение для автоматизации машин специального назначения, текстильных и упаковочных машин, машиностроительного оборудования, оборудования для производства технических средств управления и электротехнического оборудования, в системах автоматизации судовых установок и систем водоснабжения и т.д.

Таблица 6 - Основные технические данные центрального процессора S7-300С

FM455 является универсальным интеллектуальным 4-канальными модулем, предназначенным для решения широкого круга задач автоматического регулирования в составе программируемых контроллеров SIMATIC S7-300/S7-400/C7 и станций распределенного ввода-вывода SIMATIC ET 200M. [5]

Таблица 7 - Основные технические данные модуля автоматического регулирования FM455

5.3 Выбор исполнительных элементов системы

Исполнительные механизмы автоматических систем регулирования выбирают по каталогам серийной продукции с учетом выбранной ветви ГСП.

В САР технологическими процессами обогатительных фабрик применяются в основном электрические исполнительные механизмы с постоянной частотой вращения. Однооборотные ИМ сочленяются с трубопроводной арматурой, затвор которой совершает вращательное или поступательное перемещение, многооборотные - с арматурой, имеющей винтовой шпиндель.

При выборе ИМ учитывают:

- обеспечение энергетических и динамических свойств механизма при совместной работе с регулирующим органом в САР;

- обеспечение плотного закрытия или открывания затвора регулирующего органа;

- надежность работы ИМ.

ИМ должен обеспечить такую скорость перемещения затвора регулирующего органа, чтобы она была больше скорости изменения основных возмущений.

Для нашей системы регулирования - регулирующим органом является двухседельный клапан, установленный на трубопроводе, по которому поступает вода.

Клапан приводится в действие однооборотным ИМ типа МЭО 40/63.

Предназначен исполнительный механизм серии МЭО для управления различными регулирующими органами в бесконтактных и контактных автоматических системах регулирования и дистанционного управления.

Электрический сигнал на входе механизма преобразуется при помощи асинхронного электрического двигателя с малоинерционным ротором и редуктора во вращательное движение постоянной скорости. [4]

Таблица 8 - Основные технические данные МЭО - 40/63

5.4 Расчет надежности системы

Надежность - свойства изделия выполнять заданные функции в заданном пределе, при заданном интервале времени.

Расчет надежности системы производим упрощенным методом, когда все элементы системы считаются соединенными последовательно и отказы не зависят друг от друга.

Упрощенный метод характеристик надежности отдельной автоматической системы регулирования позволяет сравнивать по надежности различные варианты схем автоматизации, выявлять наиболее надежные элементы, определяющие нужную надежность всей системы, оценивать необходимое время восстановления для восстанавливаемых изделий с целью достижения необходимой надежности всей схемы или ее отдельных элементов.

Количественной характеристикой отказа элементов системы является интенсивность отказов, которая определяется по формуле:

где n - количество элементов системы;

лi - интенсивность отказов i-го элемента системы;

лC - интенсивность отказов системы;

Вероятность безотказной работы системы:

Таблица 9 - Значения интенсивности отказов элементов системы

Подставив значение интенсивности отказов из таблицы 9 в формулу, определим интенсивность отказов системы:

Следовательно, наработка на отказ составит:

Следовательно, безотказность работы системы:

Следовательно, вероятность безотказной работы системы автоматического регулирования в течении года составит 64%. [6]

5.5 Моделирование автоматической системы регулирования

Моделирование и снятие разгонных характеристик производим в программе “Simulink”.

1. Получим разгонные характеристики объекта по каналам «бк - Qв» и «бк - » без регуляторов Р1 и Р2.

Рисунок 35 - Разгонная характеристика по каналу «»

Рисунок 36 - Разгонная характеристика по каналу «бк - »

2. Получим разгонную характеристику стабилизирующего контура по каналу «бк - Qв» при расчетных параметрах настройки регулятора Р1, без корректирующего регулятора Р2.

Рисунок 37 - Разгонная характеристика по каналу «» при расчетных параметрах регулятора Р1,без корректирующего регулятора Р2

Как видно из рисунка 37 переходный процесс устойчив, перерегулирование равно 8%. Это значит, что расчетные параметры настройки регулятора Р1 являются оптимальными.

3. Получим разгонную характеристику объекта по каналу «бк - » при оптимальных настройках регулятора Р1 без корректирующего регулятора Р2.

Рисунок 38 - Разгонная характеристика по каналу «бк - » при оптимальных параметрах регулятора Р1,без корректирующего регулятора Р2

4. Получим разгонную характеристику объекта по каналу «бк - » при оптимальных настройках регулятора Р1 и расчетных настройках регулятора Р2.

Рисунок 39 - Разгонная характеристика по каналу «бк - » при оптимальных настройках регулятора Р1 и расчетных настройках регулятора Р2

Как видно из рисунка 39 переходный процесс колебательный неустойчивый. Это связанно с тем, что настроечные параметры регулятора определялись по аппроксимированной переходной характеристике объекта, соответствующей статическому звену первого порядка с запаздыванием. Найдем оптимальные настроечные параметры регулятора, обеспечивающие требуемый характер переходного процесса методом цифрового моделирования (min?y2(t)dt).

Оптимальные настроечные параметры регулятора:

kр1 = 7,78; Tи1 = 14,5 c; kр2 = 8

Рисунок 40 - Разгонная характеристика по каналу «бк - » при оптимальных настройках регулятора Р1 и Р2

При этих настройках процесс имеет следующие показатели качества:

время регулирования равно 800 секунд;

остаточное отклонение регулируемой величины д=0;

перерегулирование у=20%;

максимально допустимое отклонение y = 0.0015

время регулирования меньше 4ТО

Рисунок 41 - к снятию переходной характеристики по каналу «бк - » с корректирующим регулятором при оптимальных значениях

5.6 Статическая и динамическая настройка системы

Для статической и динамической настройки параметров модуля FM455 используется комплект проектирования, который включен в комплект поставки модулей. Он содержит техническую документацию, маски настройки параметров и функциональные блоки, включаемые в программу контроллера. Все маски снабжены подробной информацией об их использовании. После инсталляции программного обеспечения вызов масок настройки параметров выполняется из среды STEP7.

Рисунок 42 - Маска параметров настройки из среды STEP 7

Для оптимизации работы регуляторов температуры, уровня, давления, расхода может использоваться дополнительный пакет программ PID Self-Tuner. Пакет позволяет оптимизировать работу:

* ПИД-регуляторов, встроенных в STEP 7;

* Регуляторов, созданных в среде пакета Standard PID Control;

* Регуляторов, созданных в среде пакета Modular PID Control;

* Регуляторов, построенных на основе модулей FM 355/ FM 355-2/ FM 455.

Пакет содержит электронное руководство, примеры и два функциональных блока:

* FB TUNING_C - для первичной интерактивной настройки и адаптации непрерывного PID регулятора;

* FB TUNING_S - для первичной интерактивной настройки и

адаптации шагового или импульсного PID регулятора с и без обратной связи. [4]

Щиты и пульты систем автоматизации технологических процессов предназначены для размещения в них средств контроля и управления технологическими процессами, КИП и автоматических регуляторов, средств сигнализации, защиты, блокировки.

Чертеж щита локальной САР приведен в приложении 4.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная в данном проекте система автоматического регулирования - имеет ряд преимуществ по сравнению с остальными возможными. Принцип прост в реализации, т.к. в нем применяется наиболее простой способ регулирования расхода воды. Но при этом за счет наличия корректирующего контура, не создаются колебаний содержания воды в классификаторе. В связи с большой распространенностью данного способа управления - он является хорошо изученным. Это означает полную предсказуемость поведения системы при любых воздействиях на объект. Установка описанной системы дает наиболее высокие показатели безопасности по сравнению с другими возможными вариантами (воздействием является вода под небольшим давлением, устанавливаемое электрическое оборудование имеет гораздо меньшую мощность, чем при других вариантах). Таким образом, благодаря внедрению современных систем автоматического управления основными технологическими процессами приводит к улучшению работы, как модернизируемого комплекса, так и всей обогатительной фабрики в целом, к экономии энергоресурсов, трудовых ресурсов, снижению себестоимости готовой продукции и способствует повышению конкурентоспособности предприятия на рынке.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Прокофьев Е.В. Автоматизация технологических процессов и производств. Часть I. Автоматизация технологических комплексов подготовительных процессов. Учебное пособие - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2006. - 138с.

Прокофьев Е.В. Автоматизация технологических процессов и производств. Методическое пособие по выполнению дипломного проекта - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. - 44с.

Прокофьев Е.В., Ефремов В.Н. Структурная и параметрическая идентификация технологических комплексов обогащения. Учебное пособие. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2000. - 101с.

Руководство по эксплуатации. Механизмы исполнительные электрические однооборотные МЭО-40/63. ЯЛБИ.421311.029. РЭ.

Руководство пользователя. Программируемые контроллеры Siemens SIMATIC S7-300C.

Троп А.Е., Козин В.З., Прокофьев Е.В. Автоматическое управление технологическими процессами обогатительных фабрик: Учебник для вузов.- М.: Недра, 1986. - 303с.

Размещено на Allbest.ru